Unter extremen Bedingungen ist eine zuverlässige Stromquelle mit das Wichtigste, was man haben kann. Wenn Sie wissen wollen, welche Batterie für Ihre Situation am besten geeignet ist, sollten Sie zunächst wissen, wie sich kaltes Wetter auf sie auswirkt. Batterien reagieren sehr empfindlich auf häufige Temperaturschwankungen und bestimmte Witterungsbedingungen, was sich auf die Lebensdauer der Batterien auswirkt. Daher ist es wichtig, wirksame Wärmemanagementsysteme für Batterien zu entwickeln, um die Wärmeableitung zu verbessern und die Anforderungen wie hohe Leistung, schnelle Laderaten und verbesserte Leistung zu erfüllen, wurden entwickelt und umgesetzt. Diese schnellen Veränderungen der Batterien müssen sorgfältig überwacht und gesteuert werden, um sicherheits- und wärmebedingte Probleme zu vermeiden. Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass das Wärmemanagement in einem Elektrofahrzeug wichtig ist, um die Lebensdauer der Batterie unter extremen Wetterbedingungen zu verlängern.
Verwendung von Lithiumbatterien bei kaltem Wetter:
Wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt sinken, kann das Leben ohne Stromnetz tückisch werden, und Sie wollen sicher sein, dass Sie alles Notwendige haben.
Blei-Säure-Batterien haben in der Regel eine geringere Leistung als ihr Lithium-Pendant. Daher sind Lithiumbatterien die beste Energiequelle für alle, die Orte erkunden wollen, an denen die Temperaturen bis in den Gefrierpunkt fallen. Die Schädigung der Batterie beim Laden bei kälteren Temperaturen ist proportional zur Ladegeschwindigkeit. Das Aufladen mit einer viel langsameren Rate kann den Schaden verringern, ist aber selten eine praktische Lösung. Bei Temperaturen unter der 0°C-Marke sinken sowohl der Wirkungsgrad als auch die nutzbare Kapazität von Lithiumbatterien, aber sie arbeiten immer noch mit sehr geringem Verlust und bieten 95-98% ihrer Kapazität.
Wenn die Temperaturen zwischen 0°C und -10°C liegen, können die Batterien nicht mit mehr als 1C geladen werden. Wenn die Temperaturen zwischen -10°C und -20°C liegen, können die Batterien nicht mit mehr als 0,05°C geladen werden. Bei etwa -30°C sinkt die Ah-Kapazität der Batterie auf 50%. Bei Gefrierpunkt (unter -30°C) sinkt die Kapazität um 20 %. Diese Ladegeschwindigkeiten verlängern definitiv die Ladedauer und erschweren den gesamten Prozess. Beim Laden bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt werden die Lithium-Ionen in der Batterie wie in einem Schwamm von dem porösen Graphit aufgesaugt, aus dem die Anode, der Minuspol der Batterie, besteht.
Unter dem Gefrierpunkt werden die Lithiumionen jedoch nicht mehr effizient von der Anode eingefangen. Stattdessen überziehen viele Lithiumionen die Oberfläche der Anode, ein Prozess, der Lithiumplattierung genannt wird. Das bedeutet, dass weniger Lithium zur Verfügung steht, um den Stromfluss zu verursachen, und die Kapazität der Batterie sinkt. Das Laden unter dem Gefrierpunkt mit einer ungeeigneten Laderate führt auch dazu, dass die Batterie mechanisch weniger stabil wird und anfälliger für plötzliche Ausfälle ist. Solange Ihr BMS nicht mit Ihrem Ladegerät kommuniziert und das Ladegerät nicht auf die bereitgestellten Daten reagieren kann, ist dies schwierig zu bewerkstelligen. Wenn Sie bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt laden, müssen Sie sicherstellen, dass der Ladestrom 5-10 % der Kapazität der Batterie beträgt.
Große Temperaturschwankungen
Die Batterieladespannung ändert sich auch mit der Temperatur. Sie schwankt zwischen etwa 2,74 Volt pro Zelle bei -40°C und 2,3 Volt pro Zelle bei 50°C. Deshalb sollten Sie Ihr Ladegerät oder Ihre Ladesteuerung mit einer Temperaturkompensation ausstatten, wenn sich Ihre Batterien im Freien befinden und/oder großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
We have seeing the growing demand for low-temperature (<–40°C) battery from specific field, such as high-altitude aircrafts, polar expedition, some military equipment and so on.
In der Zwischenzeit hat das häufige Auftreten extremer Wetterbedingungen, wie z. B. der jüngste Polarwirbel, der über die halbe nördliche Hemisphäre fegte, viele Bedenken hinsichtlich der verringerten Reichweite von Akkupacks sowie der verringerten Haltbarkeit von Batterien in vielen anderen elektronischen Geräten oder Elektrowerkzeugen hervorgerufen und fördert auch die steigenden Anforderungen an die Batterieleistung bei extrem niedrigen Temperaturen. Die Ursache für die Verschlechterung der elektrochemischen Leistung bei niedrigen Temperaturen ist wie folgt zu erklären:
- der Elektrolyt wird zähflüssiger oder gefriert sogar, wodurch sich die Ionenmobilität und die Benetzbarkeit der Elektroden verschlechtern
- der Ladungstransfer innerhalb der Elektrode wird aufgrund des Eigenwiderstands der Korngrenzen und der langsamen Metall-Ionen-Diffusion im organischen Gitter wesentlich schwieriger
- die Festelektrolyt-Grenzfläche (SEI) wird weniger durchlässig für Metall-Ionen
- wird die Metallabscheidungsreaktion sehr problematisch. Diese Faktoren führen gemeinsam dazu, dass die Kinetik nachlässt, und ihr Zusammenwirken erschwert die Lösung des Problems
Fallstudie:
Um unser Modell mit Hilfe einer thermischen Analyse für Batterien zu testen, die unter extremen Wetterbedingungen wie -40°C betrieben werden, wurden die folgenden Schritte durchgeführt und die Ergebnisse dargestellt:
- Legen Sie die Testparameter fest:
- Wir haben die spezifischen Aspekte der thermischen Leistung unter Berücksichtigung der extrem niedrigen Temperatur (-40 °C) definiert und die kritischen Temperaturgrenzen oder Leistungskriterien ermittelt, die die Batterien unter diesen extremen Wetterbedingungen erfüllen müssen. - Computermodellierung:
- Mit Hilfe einer Thermoanalyse-Software, die in der Lage ist, das thermische Verhalten der Batterie unter extrem kalten Bedingungen zu simulieren, wird ein detailliertes virtuelles Modell des Batteriesystems erstellt, das die Geometrie, die Materialien und die internen Komponenten berücksichtigt und die physikalischen Eigenschaften der Batterien genau wiedergibt.
- Die Randbedingungen, einschließlich der auf -40°C eingestellten Umgebungstemperatur, der Wärmeerzeugungsraten, der Wärmeleitfähigkeit und der spezifischen Wärmekapazitäten der beteiligten Materialien, sind definiert und die Simulationen wurden durchgeführt.
- Experimentelle Tests (optionale Methode):
- Erwägen Sie die Durchführung experimenteller Tests in Kühlkammern, um die Ergebnisse der rechnerischen Modellierung zu validieren. Verwenden Sie dabei Thermoelemente oder andere Temperaturmessgeräte, um die Temperatur der Batterie während der Tests zu überwachen und ihre Leistung, Kapazität und Stabilität zu bewerten
- Vergleichen Sie die experimentellen Ergebnisse mit den Simulationsergebnissen, um die Genauigkeit des Berechnungsmodells zu validieren.
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